19.1 初學者重要提示

學習本章節前，務必保證已經學習了第15，16和17章。

按鍵FIFO驅動擴展和移植更簡單，組合鍵也更好用。支持按下、彈起、長按和組合鍵。

19.2 按鍵硬件設計

V7開發板有三個獨立按鍵和一個五向搖桿，下面是三個獨立按鍵的原理圖：

注意，K1（S1）、K2(S2)和K3(S3)按鍵的上拉電阻是接在5V電壓上，因為這三個按鍵被復用為PS/2鍵盤鼠標接口，而PS/2是需要5V供電的（注，V5和V6開發板做了PS/2復用，而V7沒有使用，這里只是為了兼容之前的板子）。實際測試，K1、K2、K3按鍵和PS/2鍵盤是可以同時工作的。

下面是五向搖桿的原理圖：

通過這個硬件設計，有如下兩個知識點為大家做介紹：

19.2.1 硬件設計

按鍵和CPU之間串聯的電阻起保護作用。按鍵肯定是存在機械抖動的，開發板上面的硬件沒有做硬件濾波處理，即使設計了硬件濾波電路，軟件上還是需要進行濾波。

保護GPIO，避免軟件錯誤將IO設置為輸出，如果設置為低電平還好，如果設置輸出的是高電平，按鍵按下會直接跟GND(低電平)連接，從而損壞MCU。

保護電阻也起到按鍵隔離作用，這些GPIO可以直接用于其它實驗。

19.2.2 GPIO內部結構分析按鍵

詳細的GPIO模式介紹，請參考第15章的15.3小節，本章僅介紹輸入模式。下面我們通過一張圖來簡單介紹GPIO的結構。

紅色的線條是GPIO輸入通道的信號流向，作為按鍵檢測IO，這些需要配置為浮空輸入。按鍵已經做了5V上拉，因此GPIO內部的上下拉電阻都選擇關閉狀態。

19.3 按鍵FIFO的驅動設計

bsp_key按鍵驅動程序用于掃描獨立按鍵，具有軟件濾波機制，采用FIFO機制保存鍵值。可以檢測如下事件：

  按鍵按下。

  按鍵彈起。

  長按鍵。

  長按時自動連發。

我們將按鍵驅動分為兩個部分來介紹，一部分是FIFO的實現，一部分是按鍵檢測的實現。

bsp_key.c 文件包含按鍵檢測和按鍵FIFO的實現代碼。

bsp.c 文件會調用bsp_InitKey()初始化函數。

bsp.c 文件會調用bsp_KeyScan按鍵掃描函數。

bsp_timer.c 中的Systick中斷服務程序調用 bsp_RunPer10ms。

中斷程序和主程序通過FIFO接口函數進行信息傳遞。

函數調用關系圖：

19.3.1 按鍵FIFO的原理

FIFO是First Input First Output的縮寫，先入先出隊列。我們這里以5個字節的FIFO空間進行說明。Write變量表示寫位置，Read變量表示讀位置。初始狀態時，Read = Write = 0。

我們依次按下按鍵K1，K2，那么FIFO中的數據變為：

如果Write！= Read，則我們認為有新的按鍵事件。

我們通過函數bsp_GetKey讀取一個按鍵值進行處理后，Read變量變為1。Write變量不變。

我們繼續通過函數bsp_GetKey讀取3個按鍵值進行處理后，Read變量變為4。此時Read = Write = 4。兩個變量已經相等，表示已經沒有新的按鍵事件需要處理。

有一點要特別的注意，如果FIFO空間寫滿了，Write會被重新賦值為0，也就是重新從第一個字節空間填數據進去，如果這個地址空間的數據還沒有被及時讀取出來，那么會被后來的數據覆蓋掉，這點要引起大家的注意。我們的驅動程序開辟了10個字節的FIFO緩沖區，對于一般的應用足夠了。

設計按鍵FIFO主要有三個方面的好處：

  可靠地記錄每一個按鍵事件，避免遺漏按鍵事件。特別是需要實現按鍵的按下、長按、自動連發、彈起等事件時。

  讀取按鍵的函數可以設計為非阻塞的，不需要等待按鍵抖動濾波處理完畢。

  按鍵FIFO程序在嘀嗒定時器中定期的執行檢測，不需要在主程序中一直做檢測，這樣可以有效地降低系統資源消耗。

19.3.2 按鍵FIFO的實現

在bsp_key.h 中定了結構體類型KEY_FIFO_T。這只是類型聲明，并沒有分配變量空間。

#define KEY_FIFO_SIZE 10

typedef struct

{

uint8_t Buf[KEY_FIFO_SIZE]; /* 鍵值緩沖區 */

uint8_t Read; /* 緩沖區讀指針1 */

uint8_t Write;      /* 緩沖區寫指針 */

uint8_t Read2;      /* 緩沖區讀指針2 */

}KEY_FIFO_T;

在bsp_key.c 中定義s_tKey結構變量, 此時編譯器會分配一組變量空間。

static KEY_FIFO_T s_tKey; /* 按鍵FIFO變量,結構體 */

一般情況下，只需要一個寫指針Write和一個讀指針Read。在某些情況下，可能有兩個任務都需要訪問按鍵緩沖區，為了避免鍵值被其中一個任務取空，我們添加了第2個讀指針Read2。出廠程序在bsp_Idle()函數中實現的按K1K2組合鍵截屏的功能就使用的第2個讀指針。

當檢測到按鍵事件發生后，可以調用 bsp_PutKey函數將鍵值壓入FIFO。下面的代碼是函數的實現：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 數 名: bsp_PutKey

* 功能說明: 將1個鍵值壓入按鍵FIFO緩沖區。可用于模擬一個按鍵。

* 形    參: _KeyCode : 按鍵代碼

* 返 回 值: 無

*********************************************************************************************************

*/

void bsp_PutKey(uint8_t _KeyCode)

{

s_tKey.Buf[s_tKey.Write] = _KeyCode;

if (++s_tKey.Write  >= KEY_FIFO_SIZE)

{

s_tKey.Write = 0;

}

}

這個bsp_PutKey函數除了被按鍵檢測函數調用外，還可以被其他底層驅動調用。比如紅外遙控器的按鍵檢測，也共用了同一個按鍵FIFO。遙控器的按鍵代碼和主板實體按鍵的鍵值統一編碼，保持鍵值唯一即可實現兩套按鍵同時控制程序的功能。

應用程序讀取FIFO中的鍵值，是通過bsp_GetKey函數和bsp_GetKey2函數實現的。我們來看下這兩個函數的實現：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 數 名: bsp_GetKey

* 功能說明: 從按鍵FIFO緩沖區讀取一個鍵值。

* 形    參:  無

* 返 回 值: 按鍵代碼

*********************************************************************************************************

*/

uint8_t bsp_GetKey(void)

{

uint8_t ret;

if (s_tKey.Read == s_tKey.Write)

{

return KEY_NONE;

}

else

{

ret = s_tKey.Buf[s_tKey.Read];

if (++s_tKey.Read >= KEY_FIFO_SIZE)

{

s_tKey.Read = 0;

}

return ret;

}

}

/*

*********************************************************************************************************

* 函 數 名: bsp_GetKey2

* 功能說明: 從按鍵FIFO緩沖區讀取一個鍵值。獨立的讀指針。

* 形    參:  無

* 返 回 值: 按鍵代碼

*********************************************************************************************************

*/

uint8_t bsp_GetKey2(void)

{

uint8_t ret;

if (s_tKey.Read2 == s_tKey.Write)

{

return KEY_NONE;

}

else

{

ret = s_tKey.Buf[s_tKey.Read2];

if (++s_tKey.Read2 >= KEY_FIFO_SIZE)

{

s_tKey.Read2 = 0;

}

return ret;

}

}

返回值KEY_NONE = 0, 表示按鍵緩沖區為空，所有的按鍵時間已經處理完畢。按鍵的鍵值定義在 bsp_key.h文件，下面是具體內容：

typedef enum

{

KEY_NONE = 0, /* 0 表示按鍵事件 */

KEY_1_DOWN, /* 1鍵按下 */

KEY_1_UP, /* 1鍵彈起 */

KEY_1_LONG, /* 1鍵長按 */

KEY_2_DOWN, /* 2鍵按下 */

KEY_2_UP, /* 2鍵彈起 */

KEY_2_LONG, /* 2鍵長按 */

KEY_3_DOWN, /* 3鍵按下 */

KEY_3_UP, /* 3鍵彈起 */

KEY_3_LONG, /* 3鍵長按 */

KEY_4_DOWN, /* 4鍵按下 */

KEY_4_UP, /* 4鍵彈起 */

KEY_4_LONG, /* 4鍵長按 */

KEY_5_DOWN, /* 5鍵按下 */

KEY_5_UP, /* 5鍵彈起 */

KEY_5_LONG, /* 5鍵長按 */

KEY_6_DOWN, /* 6鍵按下 */

KEY_6_UP, /* 6鍵彈起 */

KEY_6_LONG, /* 6鍵長按 */

KEY_7_DOWN, /* 7鍵按下 */

KEY_7_UP, /* 7鍵彈起 */

KEY_7_LONG, /* 7鍵長按 */

KEY_8_DOWN, /* 8鍵按下 */

KEY_8_UP, /* 8鍵彈起 */

KEY_8_LONG, /* 8鍵長按 */

/* 組合鍵 */

KEY_9_DOWN, /* 9鍵按下 */

KEY_9_UP, /* 9鍵彈起 */

KEY_9_LONG, /* 9鍵長按 */

KEY_10_DOWN, /* 10鍵按下 */

KEY_10_UP, /* 10鍵彈起 */

KEY_10_LONG, /* 10鍵長按 */

}KEY_ENUM;

必須按次序定義每個鍵的按下、彈起和長按事件，即每個按鍵對象（組合鍵也算1個）占用3個數值。我們推薦使用枚舉enum, 不用#define的原因：

  便于新增鍵值,方便調整順序。

  使用{ } 將一組相關的定義封裝起來便于理解。

  編譯器可幫我們避免鍵值重復。

我們來看紅外遙控器的鍵值定義，在bsp_ir_decode.h文件。因為遙控器按鍵和主板按鍵共用同一個FIFO，因此在這里我們先貼出這段定義代碼，讓大家有個初步印象。

/* 定義紅外遙控器按鍵代碼, 和bsp_key.h 的物理按鍵代碼統一編碼 */

typedef enum

{

IR_KEY_STRAT = 0x80,

IR_KEY_POWER = IR_KEY_STRAT + 0x45,

IR_KEY_MENU = IR_KEY_STRAT + 0x47, 

IR_KEY_TEST = IR_KEY_STRAT + 0x44,

IR_KEY_UP = IR_KEY_STRAT + 0x40,

IR_KEY_RETURN = IR_KEY_STRAT + 0x43,

IR_KEY_LEFT = IR_KEY_STRAT + 0x07,

IR_KEY_OK = IR_KEY_STRAT + 0x15,

IR_KEY_RIGHT = IR_KEY_STRAT + 0x09,

IR_KEY_0 = IR_KEY_STRAT + 0x16,

IR_KEY_DOWN = IR_KEY_STRAT + 0x19,

IR_KEY_C = IR_KEY_STRAT + 0x0D,

IR_KEY_1 = IR_KEY_STRAT + 0x0C,

IR_KEY_2 = IR_KEY_STRAT + 0x18,

IR_KEY_3 = IR_KEY_STRAT + 0x5E,

IR_KEY_4 = IR_KEY_STRAT + 0x08,

IR_KEY_5 = IR_KEY_STRAT + 0x1C,

IR_KEY_6 = IR_KEY_STRAT + 0x5A,

IR_KEY_7 = IR_KEY_STRAT + 0x42,

IR_KEY_8 = IR_KEY_STRAT + 0x52,

IR_KEY_9 = IR_KEY_STRAT + 0x4A,

}IR_KEY_E;

我們下面來看一段簡單的應用。這個應用的功能是：主板K1鍵控制LED1指示燈；遙控器的POWER鍵和MENU鍵控制LED2指示燈。

#include "bsp.h"

int main(void)

{

uint8_t ucKeyCode;

bsp_Init();

IRD_StartWork(); /* 啟動紅外解碼 */

while(1)

{

bsp_Idle();

/* 處理按鍵事件 */

ucKeyCode = bsp_GetKey();

if (ucKeyCode > 0)

{

/* 有鍵按下 */

switch (ucKeyCode)

{

case KEY_DOWN_K1: /* K1鍵按下 */

bsp_LedOn(1); /* 點亮LED1 */

break;

case KEY_UP_K1: /* K1鍵彈起 */

bsp_LedOff(1); /* 熄滅LED1 */

break;

case IR_KEY_POWER: /* 遙控器POWER鍵按下 */

bsp_LedOn(1); /* 點亮LED2 */

break;

case IR_KEY_MENU: /* 遙控器MENU鍵按下 */

bsp_LedOff(1); /* 熄滅LED2 */

break;

case MSG_485_RX: /* 通信程序的發來的消息 */

/* 執行通信程序的指令 */

break;

default:

break;

}

}

}

}

看到這里，想必你已經意識到bsp_PutKey函數的強大之處了，可以將不相關的硬件輸入設備統一為一個相同的接口函數。

在上面的應用程序中，我們特意添加了一段紅色的代碼來解說更高級的用法。485通信程序收到有效的命令后通過 bsp_PutKey（MSG_485_RX）函數可以通知APP應用程序進行進一步加工處理（比如顯示接收成功）。這是一種非常好的任務間信息傳遞方式，它不會破壞程序結構。不必新增全局變量來做這種事情，你只需要添加一個鍵值代碼。

對于簡單的程序，可以借用按鍵FIFO來進行少量的信息傳遞。對于復雜的應用，我們推薦使用bsp_msg專門來做這種任務間的通信。因為bsp_msg除了傳遞消息代碼外，還可以傳遞參數結構。

19.3.3 按鍵檢測程序分析

在bsp_key.h 中定了結構體類型KEY_T。

#define KEY_COUNT    10     /* 按鍵個數, 8個獨立建 + 2個組合鍵 */

typedef struct

{

/* 下面是一個函數指針，指向判斷按鍵手否按下的函數 */

uint8_t (*IsKeyDownFunc)(void); /* 按鍵按下的判斷函數,1表示按下 */

uint8_t  Count; /* 濾波器計數器 */

uint16_t LongCount; /* 長按計數器 */

uint16_t LongTime; /* 按鍵按下持續時間, 0表示不檢測長按 */

uint8_t  State; /* 按鍵當前狀態（按下還是彈起） */

uint8_t  RepeatSpeed; /* 連續按鍵周期 */

uint8_t  RepeatCount; /* 連續按鍵計數器 */

}KEY_T;

在bsp_key.c 中定義s_tBtn結構體數組變量。

static KEY_T s_tBtn[KEY_COUNT]; 

static KEY_FIFO_T s_tKey; /* 按鍵FIFO變量,結構體 */

每個按鍵對象都分配一個結構體變量，這些結構體變量以數組的形式存在將便于我們簡化程序代碼行數。

使用函數指針IsKeyDownFunc可以將每個按鍵的檢測以及組合鍵的檢測代碼進行統一管理。

因為函數指針必須先賦值，才能被作為函數執行。因此在定時掃描按鍵之前，必須先執行一段初始化函數來設置每個按鍵的函數指針和參數。這個函數是 void bsp_InitKey(void)。它由bsp_Init()調用。

/*

*********************************************************************************************************

* 函 數 名: bsp_InitKey

* 功能說明: 初始化按鍵. 該函數被 bsp_Init() 調用。

* 形    參: 無

* 返 回 值: 無

*********************************************************************************************************

*/

void bsp_InitKey(void)

{

bsp_InitKeyVar(); /* 初始化按鍵變量 */

bsp_InitKeyHard(); /* 初始化按鍵硬件 */

}

下面是bsp_InitKeyVar函數的定義：

/*

*********************************************************************************************************

* 函 數 名: bsp_InitKeyVar

* 功能說明: 初始化按鍵變量

* 形    參:  無

* 返 回 值: 無

*********************************************************************************************************

*/

static void bsp_InitKeyVar(void)

{

uint8_t i;

/* 對按鍵FIFO讀寫指針清零 */

s_tKey.Read = 0;

s_tKey.Write = 0;

s_tKey.Read2 = 0;

/* 給每個按鍵結構體成員變量賦一組缺省值 */

for (i = 0; i < KEY_COUNT; i++)

{

s_tBtn[i].LongTime = KEY_LONG_TIME; /* 長按時間 0 表示不檢測長按鍵事件 */

s_tBtn[i].Count = KEY_FILTER_TIME / 2; /* 計數器設置為濾波時間的一半 */

s_tBtn[i].State = 0; /* 按鍵缺省狀態，0為未按下 */

s_tBtn[i].RepeatSpeed = 0; /* 按鍵連發的速度，0表示不支持連發 */

s_tBtn[i].RepeatCount = 0; /* 連發計數器 */

}

/* 如果需要單獨更改某個按鍵的參數，可以在此單獨重新賦值 */

/* 搖桿上下左右，支持長按1秒后，自動連發 */

bsp_SetKeyParam(KID_JOY_U, 100, 6);

bsp_SetKeyParam(KID_JOY_D, 100, 6);

bsp_SetKeyParam(KID_JOY_L, 100, 6);

bsp_SetKeyParam(KID_JOY_R, 100, 6);

}

注意一下 Count 這個成員變量，沒有設置為0。為了避免主板上電的瞬間，檢測到一個無效的按鍵按下或彈起事件。我們將這個濾波計數器的初值設置為正常值的1/2。bsp_key.h中定義了濾波時間和長按時間。

/*

按鍵濾波時間50ms, 單位10ms。

只有連續檢測到50ms狀態不變才認為有效，包括彈起和按下兩種事件

即使按鍵電路不做硬件濾波，該濾波機制也可以保證可靠地檢測到按鍵事件

*/

#define KEY_FILTER_TIME   5

#define KEY_LONG_TIME     100 /* 單位10ms， 持續1秒，認為長按事件 */

uint8_t KeyPinActive(uint8_t _id)（會調用函數KeyPinActive判斷狀態）函數就是最底層的GPIO輸入狀態判斷函數。

/*

*********************************************************************************************************

* 函 數 名: KeyPinActive

* 功能說明: 判斷按鍵是否按下

* 形    參: 無

* 返 回 值: 返回值1 表示按下(導通），0表示未按下（釋放）

*********************************************************************************************************

*/

static uint8_t KeyPinActive(uint8_t _id)

{

uint8_t level;

if ((s_gpio_list[_id].gpio->IDR & s_gpio_list[_id].pin) == 0)

{

level = 0;

}

else

{

level = 1;

}

if (level == s_gpio_list[_id].ActiveLevel)

{

return 1;

}

else

{

return 0;

}

}

/*

*********************************************************************************************************